
книги из ГПНТБ / Бронский, А. И. Основы выбора конструкций корпуса судна
.pdf§ 5. Экономические аспекты |
выбора |
||
|
размеров связей |
корпуса |
|
Под достаточной прочностью корпуса |
судна и его |
конструкций |
|
д о недавнего времени понималась их |
способность |
воспринимать |
действующие на них во время эксплуатации нагрузки без повреж дений и значительных изменений формы. Такое понятие принци
пиально справедливо, но им не учитывается |
р я д факторов, глав |
|||||
ными из |
которых являются сроки и |
условия |
эксплуатации |
судна, |
||
.а т а к ж е |
количественная |
характеристика показателей |
безотказной |
|||
эксплуатации. Поэтому |
традиционно |
сложившиеся |
методы |
рас |
чета прочности судовых конструкций, базирующиеся на опреде
ленных условиях назначения |
величин действующих внешних |
сил |
и допускаемых напряжений |
и не учитывающие отмеченных |
выше |
факторов, относятся к категории условных. Они могут быть ис пользованы только при проектировании однотипных конструкций, •работающих в близких условиях, применительно к которым раз
работаны и |
проверены |
в эксплуатации |
действующие нормативы |
[36], [99]. Эти |
нормативы |
относятся т а к ж е |
к определенному уровню |
организации производства, технологии изготовления и контроля качества конструкций.
Е щ е в 1908 г. И. Г. Бубнов [22], отмечая простоту и наглядность условных расчетов, о б р а щ а л внимание на их принципиальную ог раниченность и существенные недостатки. В его предложениях по классификации нагрузок и установлению норм допускаемых на пряжений содержался дифференцированный учет степени повто ряемости и переменности нагрузок, действующих на различные конструкции корпуса. И. Г. Бубнов указывал на необходимость учета случайных отклонений в номинальных (т. е. принимаемых
врасчете) механических характеристик материала, в размерах
элементов конструкции (в том числе и изменения их во |
времени |
в связи с коррозионным износом, истиранием и др . ), а |
т а к ж е на |
необходимость анализа степени истинности расчетных |
формул. |
Естественно, что в работах того времени перечисленные |
вопросы |
могли рассматриваться лишь качественно без сколько-нибудь точ ных количественных оценок и тем более обоснований.
В настоящее время при оценке прочности корпуса |
необходимо |
|
стремиться не |
только к рациональному использованию |
материала |
:в конструкции, |
но и к подбору его свойств, а т а к ж е учитывать осо |
бенности- и значения внешних нагрузок, четко установленные ус
ловия |
и сроки |
эксплуатации |
и |
экономичность конструкций с |
уче |
том ремонта. Использование только традиционных методов |
рас |
||||
чета |
прочности |
конструкций |
во |
многих случаях оказывается |
у ж е |
недостаточным. Поэтому возникла необходимость введения нового понятия, не только более широкого, но и более конкретного, а
70
именно достаточной надежности, под которой следует понимать степень гарантии безотказной работы конструкции (т. е. вероят ность безотказной работы) в заданных условиях эксплуатации в течение установленного срока службы [15], [36], [96]. Определен
ные |
расчетом н а п р я ж е н и я |
или деформации в этом случае не дол |
ж н ы |
превышать с заданной |
вероятностью некоторых заранее уста |
новленных допустимых значений. Внешне такой подход ничем не отличается от традиционного. Однако в действительности это не совсем так.
При оценке надежности конструкций расширяется круг вопро сов, охватывающих понятие их безотказной работы. П о д отказом в этом случае понимается любое изменение состояния или пове дения конструкции (в чем бы оно ни в ы р а ж а л о с ь ) , которое на рушает нормальную эксплуатацию судна и не отвечает соответ
ствующим требованиям |
задания . |
|
|
|
|
|||||||
Введение |
в |
расчет |
степени гарантий |
безотказности |
требует |
|||||||
учета |
изменчивости |
любых |
процессов |
во |
времени |
и их зависи |
||||||
мости |
от |
большого |
числа |
определенных |
или случайных |
факторов . |
||||||
В частности, |
в |
расчетах |
приходится |
учитывать |
не |
некоторые |
||||||
условные |
значения |
волновых |
нагрузок, |
а все особенности волно |
||||||||
вого процесса в данном районе плавания и его |
воздействие на |
|||||||||||
конкретное судно при заданном р е ж и м е эксплуатации. |
|
|||||||||||
Н е с у щ а я способность |
конструкции, |
с |
которой |
сравнивается: |
||||||||
внешнее |
воздействие, |
т а к ж е |
носит случайный характер |
и опре |
деляется разбросом механических характеристик материала, из менчивостью геометрических размеров и формы элементов кон струкций (в связи с неточностями технологических процессов),, накоплением повреждений в конструкции и т. д., т. е. в большой мере зависит от организации и технологии производства и от сте пени технологичности принимаемых конструкций.
Сохраняя основные элементы установившихся методов расчета действующих внешних нагрузок (или, точнее, воздействий, по скольку могут учитываться и другие факторы, например воздей ствие коррозионно-активных сред) и соответствующих реакций конструкции и сопоставляя значения этих реакций с допустимыми значениями, при вероятностном подходе можно количественно свя
зать |
к а ж д ы й |
вид |
отказа в |
работе конструкции с |
определенными |
|
техническими |
и экономическими его последствиями |
д л я |
эксплуа |
|||
тации |
судна. |
Это |
и создает |
предпосылки обоснованного |
подхода |
к выбору необходимых размеров связей корпуса. Однако исполь зование вероятностных расчетных схем требует накопления опре деленных сведений и решения ряда новых задач . Несмотря на имеющиеся теоретические, экспериментальные и статистические данные и достигнутый уровень достоверности современных вероят ностных расчетных схем, пока еще нельзя отказаться от тради-
71
•ционных методов расчета. Следует ожидать, что переход на новые методы будет продолжительным и постепенным.
Рассмотрим |
основное содержание |
новых методов. Н а |
любую |
конструкцию и |
корпус судна в целом |
действует совокупность |
нагру |
зок, отличающихся разными признаками: причиной и вероятностью возникновения, изменчивостью по величине и во времени, направ лением действия. В принципе суммарную нагрузку на конструкцию можно представить в виде случайной функции с определенным
спектром |
распределения |
энергий |
по частотам. В общем случае |
|
спектр состоит из суммы |
спектров |
волновых нагрузок |
(вызванных |
|
волновым |
изгибающим |
моментом, |
динамическими |
усилиями от |
качки, ударными нагрузками и т. д . ), нагрузок на тихой воде, ви брационных усилий (вызванных ходовой вибрацией, работой раз личных судовых механизмов), температурных нагрузок. При таком
подходе к действующим нагрузкам в принципе |
можно |
определить |
||||||
их расчетную суммарную величину QP^' |
заранее |
заданной |
обес |
|||||
печенности (вероятности превышения) . В |
разных |
странах |
интен |
|||||
сивно ведутся исследования внешних нагрузок в указанных |
выше |
|||||||
направлениях [13], [36], |
[53], [54], [65], [101], |
[121] |
и у ж е |
установлены |
||||
параметры некоторых основных видов нагружения . |
|
|
||||||
Полученные характеристики |
внешних |
воздействий |
позволяют |
|||||
с помощью |
различных |
расчетных |
теоретических |
схем |
определить |
|||
параметры |
поведения |
конструкции. Д а ж е |
при |
детерминированном |
подходе к внешним воздействиям параметры, характеризующие по ведение конструкции, могут оказаться случайными вследствие того, что геометрические размеры конструкций отличаются от номиналь ных (теоретически принятых в расчетах и указанных на чертежах) и известны с определенной степенью точности. Достоверность их за
висит от |
технологических |
процессов |
изготовления |
конструкции, |
||||||
принятой |
системы |
допусков, объема и |
качества контроля, |
начиная |
||||||
с |
проката |
стали и кончая |
з а в е р ш а ю щ и м и |
технологическими |
опера |
|||||
ц и я м и — испытаниями. Н е и з б е ж н ы |
т а к ж е |
разного |
рода |
Дефекты |
||||||
в |
конструкциях, |
геометрические |
и |
технологические |
неоднород |
ности, оказывающие определенное влияние (далеко не полностью
изученное) |
на параметры поведения конструкции и на |
их случай |
ный разброс. |
|
|
Строго |
говоря, необходимо учитывать изменения |
геометриче |
ских и физико-механических характеристик материала корпуса во
времени (коррозионный |
износ, |
старение, эрозионные |
поврежде |
ния и др-), которые могут определяться статистически |
на основа |
||
нии данных, полученных |
при |
эксплуатации и при |
эксперимен |
тальных исследованиях. Однако имеющиеся сведения недостаточны д л я обоснованных количественных выводов, и можно лишь с из вестной вероятностью предполагать, что действительное поведение конструкции будет соответствовать расчетному в к а ж д ы й раесмат -
72
риваемый момент |
времени и что корпус |
будет эксплуатироваться |
|
без отказов. |
|
|
|
Необходимо выяснить, что именно подразумевается |
в к а ж д о м |
||
конкретном случае |
под отказом как для |
конструкции в |
целом, т а к |
идля отдельных конструктивных узлов [96].
Вбольшинстве случаев под отказом корпусной конструкции по нимается ее разрушение — разрывы отдельных деталей или соеди нений между ними, вызванные значительными пластическими де формациями, потерей устойчивости связей, развитием усталостных;
или хрупких трещин и т. п. Под отказом понимается |
т а к ж е |
опре |
деленная величина деформации, при которой нарушается, |
напри |
|
мер, нормальная работа оборудования, установленного на |
д е ф о р |
|
мируемом перекрытии, хотя в других условиях та ж е |
деформация |
конструкции не влечет за собой каких-либо нарушений в эксплуа тации судна. Существенным отказом следует считать т а к ж е сквоз ное коррозионное разъедание наружной обшивки, особенно опасное
для |
танкеров. Такое |
ж е |
разъедание |
стенок |
балок |
набора |
часто |
||
практически |
не влияет |
на прочность |
не только судна в целом, но |
||||||
д а ж е |
самих |
балок. |
|
|
|
|
|
|
|
Отсюда |
ясно, |
что |
в |
зависимости |
от технических и экономиче |
||||
ских |
последствий |
в |
разных условиях |
один |
и тот ж е |
отказ |
может |
быть отнесен к разным классификационным группам. Более того,,
именно эти последствия являются одним |
из |
важнейших |
призна |
|||||
ков, по которым следует классифицировать отказы. |
|
|
||||||
По |
скорости |
отклонения |
параметров |
поведения |
конструкции, |
|||
от нормальных |
различают |
внезапные |
и |
постепенные |
отказы. |
|||
К первым, в частности, относятся катастрофические |
отказы — бы |
|||||||
строе |
разрушение конструкции; |
ко вторым — отказы, |
вызывающие |
|||||
развитие усталостных трещин, |
коррозионные и эрозионные пов |
реждения . По степени участия конструкции в дальнейшей эксплу атации выделяют полные и неполные отказы: при неполном от казе конструкция лишь частично выполняет свои функции, напри мер несет редуцированную нагрузку, либо воспринимает полностью
нагрузку, |
но |
не |
обеспечивает герметичности отсеков. Существуют |
|||||||||
и другие |
классификационные |
признаки |
отказов, |
характеризую |
||||||||
щие надежность |
конструкции |
в |
техническом |
и временном |
отно |
|||||||
шении. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пределы изменения параметров поведения конструкции в эксплу |
||||||||||||
атации |
при заданных |
внешних |
|
воздействиях, |
принятой конструк |
|||||||
тивной |
схеме |
и |
р а з м е р а х |
связей |
ч а щ е зависят |
от физико-механи |
||||||
ческих |
характеристик |
м а т е р и а л а |
(предела текучести, предела проч |
|||||||||
ности, |
модуля |
нормальной |
упругости, критической |
температуры |
||||||||
хрупкого |
разрушения, скорости |
коррозии |
и др . ), изменяющихся |
при |
изготовлении конструкции. Существенное влияние на эти пределы оказывают конструктивные и технологические дефекты.
73;
|
Используя указанные данные, в принципе можно |
определить |
|||
вероятность |
выхода |
реальных параметров поведения |
конструкции |
||
з а |
расчетные |
пределы, найденные |
по номинальным (или минималь |
||
но |
гарантируемым) |
показателям |
материала с учетом |
рассматри |
|
ваемых дефектов конструкции. При последовательном |
применении |
вероятностных методов на всех этапах расчета определяют гаран тию безотказности конструкции Г при заданных условиях эксплуа тации. В общем случае гарантия безотказности не остается посто
янной в течение всего срока эксплуатации |
конструкции. |
Необ |
|||||||||||
ходимо |
подчеркнуть, |
что |
определение гарантии |
безотказности — |
|||||||||
с л о ж н а я задача, |
решение |
которой |
пока |
доведено |
до практически |
||||||||
применимых |
результатов |
только |
д л я ограниченного числа |
конст |
|||||||||
рукций корпуса и условий их эксплуатации . |
|
|
|
|
|
||||||||
Следует |
отметить |
аналогию |
между |
изложенным |
|
подходом |
|||||||
к расчету конструкций и методом |
предельных состояний, |
описанным |
|||||||||||
в известной работе В. В. Болотина [15]. В этой работе |
рассмотрен |
||||||||||||
наиболее распространенный частный |
случай |
определения |
гарантии |
||||||||||
безотказности конструкции — гарантии |
ее |
неразрушимости. По |
|||||||||||
этому |
описанный |
выше |
подход |
к |
расчету |
конструкций |
|
можно |
в известной мере считать развитием и обобщением метода пре дельных состояний.
Однако |
само по |
себе такое |
решение является проверочным |
и требует |
введения |
допустимых |
величин гарантии безотказ |
ности, с которыми сравниваются величины, полученные в резуль
тате расчета. Этот вопрос |
представляет собой технико-экономи |
|||
ческую проблему. Чтобы найти оптимальное |
проектное решение |
|||
и выбрать размеры связей |
корпуса, |
необходимо |
дополнительно |
|
использовать экономические |
оценки |
[15], [49], |
[50], |
[84]. |
Особое значение экономические оценки приобретают при про ектировании и постройке новых типов судов, для которых* обыч ные расчеты прочности, выполняемые для условий плавания в от крытом море, не являются исчерпывающими. Возрастает вероят ность повреждений при швартовках в море, плавании в т я ж е л ы х ледовых условиях; становятся более серьезными последствия по
садок на мель |
и |
столкновений |
(для крупнотоннажных |
танкеров, |
|||
газовозов, |
судов |
с ядерными |
силовыми |
установками) . |
Требова |
||
ния сведения |
к |
минимуму загрязнения |
моря при |
повреждении |
|||
и авариях, |
сокращение экипажей судов |
вследствие |
применения |
автоматики на судах неизбежно приводят к постепенному пере смотру нормативов конструктивной безопасности [96], [101], [109], причем в первую очередь на основе экономического критерия.
Экономический ущерб, вызываемый отказом конструкции, скла дывается из дополнительных расходов на ремонт (включая со путствующие работы), убытков от простоя судна в ремонте, дли тельность которого зависит от характера отказа, из убытков от
74
порчи |
груза |
и т. д. Вероятность такого ущерба равна вероятности |
отказа |
Р= 1 |
— Г . |
При изменении размеров или оформления конструкции изме
няется и степень гарантии ее безотказной |
работы, а |
следовательно, |
и возможные экономические последствия |
отказа. |
При отнесении |
ущерба U к длительности безотказной работы конструкции t можно записать
б С р е м - б Э = ^ б Р = — ^ - б Г . |
|
|
( И Л ) |
||
Здесь приняты те ж е обозначения, |
что и в выражении (1.8) |
д л я |
|||
комплексного экономического критерия оценки конструкции. |
|
||||
Повышение степени гарантии безотказности |
конструкции, |
к а к |
|||
правило, связано с дополнительными |
капитальными |
затратам и на |
|||
изготовление, а в некоторых случаях |
и |
расходами на |
ее с о д е р ж а |
||
ние. Тогда в ы р а ж е н и е (1.8) принимает |
вид |
|
|
|
|
5 С Э К С П Л (Г) = а б С к а п (Г) + |
6 С С 0 Д ( Г ) - - U T |
6Г. |
' |
( I I . 2 ) |
Эта зависимость характеризует изменение экономических по следствий отказа конструкции. Поэтому изменение размеров кон
струкции по сравнению с некоторым эталонным вариантом |
целе |
||||||||||||||||
сообразно производить только при уменьшении |
эксплуатационных |
||||||||||||||||
расходов, т. е. при соблюдении неравенства |
6С Э КСПЛ(Г) < 0 . |
В |
тех |
||||||||||||||
случаях, |
когда |
зависимость |
составляющих |
С К а п, |
С 0 0 д |
и |
V |
от |
|||||||||
уровня безотказности непрерывна |
(что в |
основном |
характерно |
д л я |
|||||||||||||
выбора |
размеров |
связей |
корпуса), |
оптимальное |
изменение |
кон |
|||||||||||
струкции находят из условия минимума |
функционала |
С Э К с п л, |
|
т. е-, |
|||||||||||||
при |
|
|
|
|
|
^Сэкспл |
л |
|
|
|
|
|
|
( П . З ) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
dY |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
Y — количественная |
характеристика |
изменяемого |
п а р а м е т р а |
|||||||||||||
конструкции. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Применительно |
к |
корпусным |
конструкциям |
нормы |
отчислений |
||||||||||||
устанавливают, |
как |
принято |
в практике |
планово-предупредитель |
|||||||||||||
ных |
ремонтов, |
исходя из |
предположения, что |
трудоемкие |
работы |
по замене и восстановлению корпусных конструкций д о л ж н ы осу
ществляться только в крайних (как правило, |
аварийных) |
случаях. |
|||
Следовательно можно |
полагать, что |
а = 1 / £ с , |
где |
tc — установлен |
|
ный срок эксплуатации |
судна либо директивный срок возмещения |
||||
капитальных з а т р а т на |
постройку судна. |
|
|
|
|
Тогда, учитывая, что уровень безотказности есть функция про |
|||||
ектных параметров конструкции, из |
(П.2) и |
(П.З) |
получим |
||
^ [ С к а п ( Г ) + ^ С с о д ( Г ) ] = ^ с / ^ - А ( 1 _ Г ) ^ . |
( I I . 4) |
75
Поскольку размер экономического ущерба при фактических по вреждениях корпусных конструкций сравнительно мало зависит от их проектных размеров, а уровень гарантии безотказности Г доста точно близок к единице, вторым членом в правой части равенства (11-4) можно пренебречь. Следовательно,
— Гс,'кап (Г) + *с С с о д (Г) = л |
и |
dY |
(II.5) |
dY |
|
|
|
|
|
|
Отсюда можно получить оптимальный уровень гарантии без отказности Г и оптимальные размеры рассматриваемой конструк ции или нормы прочностных характеристик д л я выбора размеров, учитывающие реальные особенности, условия и сроки эксплуата ции конкретного судна. Д л я судов, отличающихся по назначению, размереииям и другим показателям (учитывая различные виды отказов), формула (П.5) может быть существенно преобразована .
Определение зависимостей размеров капитальных затрат' на создание конструкции, расходов па ее содержание и ущерба, вы званного отказом конструкции, от уровня безотказности конст
рукции является предметом специальных |
технико-экономических |
исследований и более или менее сложных |
экономических расчетов, |
некоторые предпосылки которых изложены |
в § 2. Наиболее сложно |
установить достаточно обоснованные размеры экономических по терь в зависимости от конкретного вида отказа конструкции. В первую очередь для этого необходимы анализ и обобщение имею
щихся статистических |
данных о характере, объеме |
и |
стоимости |
проведения ремонтных |
работ на судах разных типов и размерений |
||
с дифференциацией их |
по отдельным конструкциям, |
без |
чего не |
возможно дальнейшее развитие экономически обоснованных норм прочности.
При отсутствии конкретных данных можно в первом |
прибли |
жении принимать значение U в долях строительной стоимости кон |
|
струкции (такой подход, в частности, принят в работе |
[113] д л я |
экономического анализа норм общей продольной прочности судна) .
Это в известной мере оправдано |
тем, что ежегодные |
отчисле |
ния на ремонт составляют определенный процент от |
стоимости |
|
судна. |
|
|
Другим в а ж н ы м вопросом при |
нормировании прочности кон |
струкций корпуса является выбор зависимости гарантии безотказ
ности от проектных |
переменных |
Г (У), включающей в обобщенном |
виде характеристики |
нагружения, |
принятый вид реакции конструк |
ции на нагружение, опасный уровень этой реакции исходя из рас сматриваемого отказа конструкции, физико-механические характе ристики м а т е р и а л а и сроковые показатели эксплуатации. Некото рые основные данные по этим вопросам приводятся ниже.
76
§6. Основы вероятностного подхода
коценке внешних сил
Наибольшее результирующее силовое воздействие на корпус судна бывает, ка к известно, при штормовой погоде в условиях силь ного волнения. Кроме статических сил тяжести и давления воды на корпус действуют в этом случае еще и гидродинамические силы, вызывающие бортовую, вертикальную и килевую качку и свя
занные с |
ней |
силы |
инерции. |
Н а волнении |
скорости |
движения |
|
носовой |
оконечности |
относительно |
взволнованной |
поверхности |
|||
при килевой |
и вертикальной |
качке |
могут |
вызвать |
появление |
||
слеминга |
и випиига, особенно |
при малых осадках и больших ско |
ростях хода судна. Вследствие удара волн, работы винтов и воз
действия неуравновешенных |
сил и моментов |
работающих |
главных |
||||||||||||||
и вспомогательных механизмов может возникнуть о б щ а я |
' и |
ме |
|||||||||||||||
стная |
вибрация. |
Н а п р я ж е н и я |
от |
вибрации |
накладываются |
на |
|||||||||||
н а п р я ж е н и я |
от других |
воздействий. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Н а современных судах, перевозящих сжиженные |
газы |
|
(при |
|||||||||||||
температуре до —150° С и н и ж е ) , замороженные продукты, |
горя |
||||||||||||||||
чие |
нефтепродукты и т. |
п., |
увеличивается |
перепад |
|
температур |
|||||||||||
в конструкциях корпуса, а соответствующие величины |
|
температур |
|||||||||||||||
ных |
напряжений |
могут |
иметь |
тот |
ж е |
порядок, что |
и |
волновые, |
|||||||||
в |
некоторых |
случаях |
д а ж е |
|
превышая |
последние. |
Эксперимен |
||||||||||
тальные данные показывают, что при температурном |
|
перепаде |
|||||||||||||||
около |
40° С |
тепловые |
н а п р я ж е н и я |
достигают примерно |
0,25—0,3, |
||||||||||||
а |
при градиенте |
до 90° С — 0,5—0,6 |
предела |
текучести |
материала . |
||||||||||||
Температурные напряжения |
одновременно с |
изменением |
физико- |
механических свойств м а т е р и а л а из-за температурных воздействий могут привести к хрупким трещинам (например, на промысло вой базе «Спасск», пароходах «Баку» и «Войков»). В корпусе
действуют |
и остаточные |
напряжения, |
возникающие |
при |
постройке |
|||||
и ремонте |
судов. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Д а ж е |
неполное перечисление |
различных воздействий |
на |
корпус |
||||||
судна при плавании его на волнении показывает |
большую |
слож |
||||||||
ность |
их определения в |
к а ж д о м |
частном |
случае. |
Полностью эта |
|||||
з а д а ч а еще не решена, несмотря на обширные теоретические |
и эк |
|||||||||
спериментальные исследования, проводимые в ряде стран. |
|
|||||||||
Научный подход к ее решению был з а л о ж е н Л . Эйлером в его |
||||||||||
труде |
«Scientia |
Navalis» |
(1759 г.). Д а л ь н е й ш и е исследования |
нача |
||||||
лись |
примерно |
100 лет |
н а з а д в |
связи |
с |
переходом к |
постройке |
|||
стальных |
судов. В конце |
X I X в. на основе |
работ Эйлера |
были раз |
работаны способы практического определения напряжений в кор
пусе |
судна, которое |
рассматривалось |
как |
свободно п л а в а ю щ а я |
б а л к а |
на регулярном |
волнении. При |
этом |
не учитывались гидро |
динамические силы, силы инерции и т. д., т. е. предполагалось, что
77
судно находится в |
квазистатическом состоянии на волнении. |
К р у п |
|||||
нейший |
в к л а д в |
решение этой |
задачи |
внес в 1898 г. |
академик |
||
А. Н . Крылов . Он разработал метод определения |
изгибающих мо |
||||||
ментов и перерезывающих сил, действующих на |
корпус |
на регу |
|||||
лярном |
волнении, |
в котором |
учтены |
гидродинамические |
силы |
и динамика качки судна. Несмотря на существенное отличие рас сматриваемого регулярного волнения от реального нерегулярного-
волнения, казалось, |
что проблема внешних сил достаточно |
полно |
||
изучена и что |
д а ж е |
без учета нерегулярности расчеты |
дают |
у с л о в |
ные значения |
сил и |
напряжений, годные на практике |
для |
сравни |
тельной оценки прочности и надежности плавающих и проекти руемых судов. В метод А. Н. Крылова с начала века в течениепочти 60 лет не вносились принципиальные изменения, и он ус
пешно использовался в инженерной практике. Это было |
возможно' |
||
до тех пор, пока процесс увеличения |
размеров |
судов |
происходил |
постепенно и медленно, а имевшиеся |
данные, |
экстраполируемые |
|
в узких пределах д л я судов только |
определенных типов, д а в а л и |
удовлетворительные результаты и могли проверяться при длитель ной эксплуатации судов.
После окончания второй мировой войны был осуществлен пе реход на сварное судостроение, а с 50-х годов начали резко воз растать размеры судов (к настоящему моменту построены суда дедвейтом около 500 000 т ) . В связи с этим проводимые теорети ческие и экспериментальные исследования внешних сил, действую щих на корпуса судов в условиях нерегулярного волнения, стали иметь в а ж н о е практическое значение.
Сущность и основное содержание современных вероятностных методов определения внешних сил заключаются в следующем.
Действующие на любые корпусные конструкции нагрузки вовсех случаях могут быть представлены в виде суммы двух состав ляющих [13], [36], [96], существенно отличающихся по скорости из менения во времени:
|
Q(t) |
= Q*(t) |
+ |
Q"(t), |
|
|
|
(И . 6) |
|||
где Q * ( 0 — п е р е м е н н а я |
составляющая, |
которая |
представляет |
со |
|||||||
бой случайный процесс с достаточно |
высокой |
скоро |
|||||||||
стью изменения; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
QCT(t)—статическая |
|
составляющая; |
более |
точно |
ее |
следует |
|||||
назвать |
квазистатической, |
так как |
при |
длительной |
|||||||
эксплуатации |
судна |
она |
т а к ж е |
может |
рассматри |
||||||
ваться |
как |
случайный |
процесс, |
статистические |
ха |
||||||
рактеристики |
которого |
практически |
не |
зависят |
от |
||||||
условий, |
определяющих |
переменную |
составляющую, |
||||||||
а скорость изменения его пренебрежимо мала |
по |
||||||||||
сравнению |
с этой составляющей. |
|
|
|
|
|
78
Д л я различных конструкций и разных условий эксплуатации
соотношение характеристик обеих составляющих |
может изменяться |
в широких пределах. |
|
К с т а т и ч е с к и м составляющим относятся |
постоянные (масса |
оборудования и механизмов, собственная масса |
конструкций) или |
переменные (масса грузов, запасов) нагрузки на корпусные кон струкции, изменение или неравномерность температурных усло вий эксплуатации различных элементов корпуса, поле усилий, возникающих в конструкциях при постройке или ремонте судна. Наиболее просты и широко используются в расчетах прочности
корпуса весовые нагрузки, значения и распределение |
которых |
|
по длине судна непосредственно учитываются |
при выборе |
разме |
ров связей по П р а в и л а м классификационных |
обществ. Однако и |
в отношении весовых нагрузок в последнее время отмечается не обходимость введения некоторых поправок в традиционные упро
щенные |
методы расчета. |
|
|
|
|
|
|
|||
Так, |
на |
современных танкерах и судах для перевозки |
навалоч |
|||||||
ных |
грузов |
применяется чередующаяся загрузка |
танков |
или трю |
||||||
мов |
(выделение части танков |
только |
д л я водяного |
балласта — на |
||||||
танкерах, |
перевозка |
тяжелой |
руды |
только |
в части |
трюмов — на |
||||
судах для |
перевозки |
навалочных грузов). В |
этом |
случае |
при опре |
делении изгибающих моментов и перерезывающих сил на тихой воде необходимо учитывать концентрацию нагрузки в районе по перечных переборок [101]: часть весовой нагрузки или сил поддер ж а н и я , воспринимаемая переборкой, передается на борта и про
дольные |
переборки |
в |
виде сосредоточенных |
сил, |
что |
приводит |
|
к заметной ошибке |
при прямом |
интегрировании |
разницы между |
||||
весовой |
нагрузкой |
и |
силами поддержания . |
Д а ж е |
для |
обычных |
|
транспортных судов |
характерна |
некоторая изменчивость |
нагрузок |
на тихой воде в зависимости от -конкретных условий загружения
судна |
в к а ж д о м рейсе, |
а т а к ж е |
в течение |
одного |
рейса |
(за счет |
|||
расходования топлива, |
воды |
и |
с н а б ж е н и я ) . |
Д л я |
судов |
специ |
|||
ального назначения, например промысловых, характерно |
сущест |
||||||||
венное изменение нагрузки на тихой воде в течение рейса |
(расхо |
||||||||
дование топлива и запасов, прием |
у л о в а ) . |
|
|
|
|
||||
|
К |
квазистатическим |
составляющим относятся |
и температур |
|||||
ные |
эксплуатационные |
нагрузки. |
Теория |
температурных |
нагру |
||||
зок |
развита Ю. А. Шиманским |
[99] и другими. |
Н а |
I М е ж д у н а р о д |
ном конгрессе по конструкции и прочности судов [65] приведен достаточно полный обзор данных по усилиям и повреждениям, возникающим из-за существенных температурных градиентов. Ис пользование расчетов температурных усилий не нашло еще долж
ного распространения |
в |
проектной |
практике |
ввиду |
сложности |
|
вопроса и |
отсутствия |
достоверных |
данных |
по распределению |
||
температур |
в корпусных |
конструкциях в зависимости |
от измене- |
79